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木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展


第25卷第3期 2005年3月

现代化工
Modelll Chemical lndustry

Mar.2005
?

19?

木质纤维素转化为燃料乙醇硇研究进展
刘 娜,石淑兰 (天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津300222)
摘要:以木质纤维素为

原料生产燃料乙醇的生物转化方法包括预处理、酶水解和发酵过程,对这些过程中的技术进展以及 解决现存问题的方法进行了评述。氨法爆破技术是较好的预处理方法,超声波、微波处理等新技术有助于改善酶水解。阐述了 酶水解机理、纤维素酶的生产以及酶水解过程的优化方法。指出固定化酶糖化发酵技术在生物转化木质纤维原料技术中的前 景广阔;选择合适的发酵方法,优化发酵过程,以及解决抑制问题对于提高乙醇产率尤为重要;利用基因重组技术构建旨在发酵 混合糖的重组菌对于生产生物乙醇具有里程碑意义。 关键词:木质纤维素;乙醇;预处理;酶水解;发酵 中图分类号:7rQ223.122;TQ352 文献标识码:A 文章编号:0253—4320(2005)03一0019—04 to produce fuel

Research progress of

c伽Ver廿ng lig肿ceUlllose
LIU Nn.sHI

etha舯l

shu—l帆
Scjence锄d琵c}ln0109y,Tianjin 300222,C王Iina)
as a

(School of Mat甜al Scjence卸d

Ch啪ical En舒nedIlg,Tianjjn U正vers毋of

Abstmct:The conversion pIDcess of emaIlol fuel utilizing lignoceUIlloses

substrate involves
present

pren℃atment,enzymatic
are

hydrolysis

and

fe册emation.The

new

technologicaJ progress and山e methods of solving

problems in t}lese pmcesses

extensively reviewed.AIllInonia fiber microwave
treatInent8

explosion(AFEX)process

is

an

a胁ctive
hydrolytic

pretreatInem met|lod,moreoVer,ultrasonic and

con试bute

to

enhancing enzymatic hydrolysis.The enzymatic for enzymatic

hydrolysis
are

mechamsm for ceUlllose,the

production of

cellulase and the optimization me山ods

process

provided.consolidated bioprocess

technology is pmmising in lignoceIlulose

biological

conversion,f血he瑚ore,selecting
f毫Hnentative pmcesses


suitable meaJls of
8re

fe珊entation,optimizing hi曲er
ethanol yields.

f豳enta石ve process
(沁netic

and solvjng jnhjbitor pmblem dudng出e of bacteria
to

s唔Ilifjcant
to

to

engineering

fe珊ent血e

diverse

mge

of su98r is

milestone essential

the bioethanol production.

Key words:lignoceⅡulose;ethaJlol;pretreatIIlent;eIlzymatic

hydrolysis;fe珊emation

现代工业的迅速发展,对环境友好的可再生资 源的开发显得日益重要。纤维素乙醇(由木质纤维 素生物转化成的燃料乙醇)作为一种环境友好的可 再生能源,越来越引起世界各国的关注。目前比较 成熟的生产乙醇的生物转化方法是以甘蔗汁和玉米 淀粉为原料的方法,但其原料成本高达总成本的
40%u

市废弃物均一性差,废纸成本高等问题,资源丰富又 廉价的农业废弃物成为制备纤维素乙醇的首选原 料,综合考虑,秸秆类为较好的原料。 目前由木质纤维素转化为乙醇的研究非常活跃, 这一领域已取得许多新的进展。木质纤维素的生物 转化一般包括3个过程,即原料的预处理、酶水解和 发酵,笔者在此就这些过程的研究进展作一综述。


J。最近的研究集中在以木质纤维素为原料

上,这些丰富而廉价的自然资源可以来源于:①农业 废弃物,如麦草、玉米秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣 等;②工业废弃物,如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末 等;③林业废弃物;④城市废弃物,如废纸、包装纸 等。据估计木质纤维素原料占世界生物量

预处理
木质纤维原料具有较大的结晶性,需经适当预

处理后才能使用。预处理的目的是打破纤维素分子 的结晶结构和保护层,使材料变得蓬松,易于被纤维 素酶作用。未经预处理的原料,其水解率低于理论 值的20%,而经预处理后的水解率可达理论值的 90%以上。预处理方法的选择主要从提高效率、降 低成本、缩短处理时间和简化工序等方面考虑。理 想的预处理应能满足下列要求:①产生活性较高的

(100亿~500亿t)的50%¨J。原料的选择应满足下
列特点:成本低;数量足;良好的均一性;纤维素和半 纤维素含量高,木素和灰分含量低;转化为糖的效率 高。其中,由于天然森林尤其是针叶木难加工,工业 纤维废弃物数量少,林业废弃物的纤维素含量低,城
收稿日期:2004—09一14;修回日期:2005—0l一05

作者简介:刘娜(197l一),女,博士生;石淑兰(1939一),女,教授,博士生导师,从事木质纤维资源利用、生物技术在造纸中应用、制浆造纸技术与 机理等研究,通讯联系人,022—60270069,shishul¨@80hu.com。

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纤维,其中戊糖较少降解;②反应产物对发酵无明显 抑制作用;③设备尺寸不宜过大,成本较低;④固体 残余物较少,容易纯化;⑤分离出的木素和半纤维素 纯度较高,可以制备相应的其他化学品,实现生物质 的全利用。预处理步骤的成本占总成本的33%心J。 植物纤维原料由纤维素、半纤维素和木素三大 部分组成,其中木素不能作为发酵底物,半纤维素可 以发酵为乙醇,但比纤维素要困难,由于目前缺乏高 效发酵戊糖(半纤维素的主要成分)的微生物,因此 植物纤维原料的预处理方法中一般要除去半纤维 素。预处理是水解前的重要环节,是酶解经济性的 重要制约因素,寻求经济有效的预处理方法是纤维 原料转化利用研究的重点之一。预处理方法主要有 物理法、化学法、生物法。其中,稀酸处理法被认为 是除去半纤维素的较成熟而有效的方法,尤其是处 理针叶木和阔叶木b1;但缺点是木素脱除效果差,能 耗大、酸用量大,腐蚀设备和对环境污染严重,非长 远之计。

率仍然较低,对经预处理后的纤维素进行水解所需 纤维素酶量,是对淀粉进行水解所需淀粉酶的100 倍。酶用量低则需较长的反应时间,较短的反应时 间则需较高的酶用量,要使酶水解时间和酶用量之 间达到平衡,可采取如下方法:①优化预处理系统; ②循环使用未消耗的底物和溶液中的酶以降低酶的 成本;③间歇补充原料和添加酶,使整个过程维持较 高浓度的纤维素;④开发具有高活性的纤维素酶; ⑤开发新型水解反应器;⑥研究酶与底物相互作用 以及半纤维素和木素对酶水解的影响的机理。 刘超纲L7 J研究了分批添料对纤维素酶水解的影 响,结果表明在底物含量和酶用量相同的条件下,底 物质量分数为15%时,分批添料比一次添料的酶解 得率提高10%。 酶循环也是降低酶成本的有效方法。纤维素酶 可从上层清液或固体底物中回收,目前一般是回收 上层清液中的游离酶,若要回收利用被难解滤渣缔 合的酶,较难形成商业规模。采用简单的酶吸附法 获得了一些成功,即以分批或连续方式在新底物上 重复吸附酶,与残留纤维素缔合的纤维素酶能很快 被吸附到新底物上。许多底物,如麦草、桉树、柳木 和桦木,把吸附有纤维素酶的残留纤维素添加到新 底物时,可获得大量的糖。纤维素酶活性的回收与 底物的木素含量有关。例如,对于木素含量低的底 物,到第5轮水解时,反应混合物的木素质量分数仅 17%,而对于木素含量高的底物,则木素质量分数可 高达70%…。 另外,添加表面活性剂可以改变纤维素的表面 特性,如非离子活性剂Tween
20、Tween

氨法爆破(amnlonia仙er explosion,即AFEX)技
术,被认为是最有前景的预处理方法,它具有以下优 点:产生的纤维活性高,酶解所得糖浓度高,水解产 物对发酵的抑制作用小,过程残留物少,设备投资成 本低,操作简单等。其工艺和理论研究有待进一步 完善汜j。目前,研究较多的一些新的预处理方法采 用了液氨、高能电子辐射、微波、超声波等技术。美 国佛罗里达大学以及A.w6iciak和A.Pekarovicova 分别以混合办公废纸和硫酸盐浆为底物,研究了超 声波处理法对酶水解和发酵的影响效果H。5 J。结果 表明:超声波能够打开纤维素的结晶区,碎解木素大 分子,影响纤维的化学性能和物理结构。经超声波 处理过的纤维具有较大的空隙度,较高的保水性和 比表面积,增加了对纤维素酶和木糖酶的可及度(酶 可以到达并起反应的纤维素面积占纤维素总面积的 百分率),对酶水解有利;但对纤维素的微细结构影 响有限,并且降解了半纤维素,引起纤维比表面积的 下降,这一点对酶水解是不利的。Kitchaiya等№j研 究了微波处理木质纤维素原料对酶水解的影响,结 果表明稻草或蔗渣原料预浸在甘油中,使用240 w 的微波常压处理10 rnin,反应物可达200℃,而压力 不变,最终还原糖浓度可增加2倍多。

80、聚乙二醇

等,使用Tween 80可使新闻纸的酶法水解速度提高 33%旧j。wu等【10 J使用普卢兰尼克F68、普卢兰尼克
F88、Tween 20和7rween

80对新闻纸进行酶法水解,

发现在无表面活性剂的情况下,用10 g/L纤维素酶 能使纤维素的转化率达到48%,与之相比,加入2% 的普卢兰尼克F68,仅用2∥L纤维素酶就可使纤维 素的转化率达52%。 2.2酶水解机理 纤维素酶是一种多组分的复合酶,现已确定纤 维素酶含有3种主要组分,即内切型一卢一葡聚糖酶、 外切型一p一葡聚糖酶和p一葡萄糖苷糖酶。天然纤 维素水解成葡萄糖的过程中,必须依靠这3种组分 的协同作用才能完成。纤维素大分子的物理结构是 由分子链排列整齐、紧密的结晶区和结构疏松但取 向大致与纤维主轴平行的无定形区交错结合的体

2酶水解
2.1酶水解过程的优化 尽管对酶水解的研究已开展多年,但酶水解效

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刘娜等:木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展

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系。在纤维素水解过程中,首先由内切型一口一葡聚 糖酶优先在纤维素聚合物的内部起作用,在纤维素 的无定形区进行切割,产生新末端,生成较小的葡聚 糖;然后再由外切型一口一葡聚糖酶作用于末端基释 放出纤维二糖和其他更小分子的低聚糖;最后由口一 葡萄糖苷酶将纤维二糖分解为葡萄糖分子¨1|。 纤维二糖的积累对于内切和外切葡聚糖酶的催 化作用有强烈的抑制影响,解除该抑制作用是实现 纤维性材料完全酶解的重要条件。纤维素酶吸附于 纤维素表面是纤维素发生水解的必需条件,纤维二 糖并不影响纤维素酶的吸附,但它可结合在外切 型一口一葡聚糖酶活性部位附近的色氨酸残基上形成 “位阻效应”,阻止纤维素分子链进入活性中心,造成 纤维素酶对纤维素的“无效吸附”¨2|。 2.3纤维素酶的生产 纤维素酶转化率低及其酶活性不稳,是限制纤 维素生产乙醇的主要环节。目前应用于纤维素酶生

酶糖化发酵法(consolidated Bio.Processing,CBP):使 用同一种微生物,完成纤维素酶的分泌、纤维素的糖 化和发酵过程。 同水解与发酵分段法(SHF)相比,同时糖化戊 糖单独发酵法(ssF)和同时糖化共发酵法(sSCF)可

消除酶解时产物对酶解作用的抑制,缩短发酵时间,
但仍需两种微生物的分别作用;而固定化酶糖化发 酵法(cBP)仅利用一种微生物产生的纤维素酶和半 纤维素酶,酶解产生的糖仍由同一株菌来完成发酵 的过程。固定化酶比游离酶有较好的稳定性,可以 重复使用和回收,又便于连续操作,且能提高发酵器 内细胞浓度和乙醇浓度。目前研究最多的是酵母和 运动发酵单胞菌的固定化,常用载体有海藻酸钙、卡 拉胶、多孔玻璃等。此方法工艺简单,历时短,得到 国内外同行的重视。固定化酶是生物工程的一个重 要方面,Massayllki和Kumakura以肠溶衣聚合物为载 体固定化纤维素酶,可保留酶活力60%以上,回收 率可达100%,并且对微晶纤维素的水解率明显高 于游离酶【1 5【。利用固定化纤维素酶技术,对促进纤 维素糖化发酵实现工业化生产有十分重要的意义。 3.2发酵条件的优化 发酵条件的优化对提高纤维素的利用率、纤维 素酶的效能非常重要。发酵条件的优化主要包括培 养基成分的优化、接种量、培养时间、环境pH值范 围、通气量以及对全部设备的特殊要求等。 磁场可以加速微生物的生长,Raja Rao等¨刮研

产的菌种主要有木霉属(阮^o如舢)、曲霉属(As.
pe唧z如)和青霉属(Penic溉Mm)的菌种。其中,最重
要的是木霉属中的里氏木霉(71.rees“),它分泌胞外 纤维素酶的能力最强,由该菌产生的纤维素酶复合 体系具有分解天然纤维素所需要的3种组分ll 3|。 里氏木霉菌株的不足之处在于,尽管它们能产生高 活力的内切型和外切型口~葡聚糖酶,但形成纤维二 糖酶的能力较低u 4|。随着分子生物学的飞速发展, 通过基因工程途径构建生产纤维素酶的高效工程菌 已非纸上谈兵。现已有将克隆到的纤维二糖酶基因 进一步转化到里氏木霉细胞中,从而提高其纤维素 酶活力的报道。另外,多种纤维素酶的混合使用,以 及酶的超滤膜回收方法,也为解决里氏木霉菌形成 纤维二糖能力低的问题展现了美好前景。

究了静磁场对鼬cc^nrD,nyc∞ce聊洳e发酵(SSF)木质
纤维原料转化乙醇的影响,将发酵反应器放置于静 磁场中24 h,发现葡萄糖消耗速率增加,最终乙醇浓 度提高了3.4倍¨7f。

另外,由于妣c耽rom伽s

ce聊括口e发酵菌种仅对

3发酵
3.1发酵方法的选择 利用植物纤维原料生产乙醇的发酵方法,按照 各生物转化程序的特点可以划分为以下4种方法: ①水解与发酵分段法(Separate
Hydrolysis and

木质纤维原料中的己糖起作用,而对半纤维素中的 戊糖却不起作用,不能充分利用半纤维素,因而乙醇 产率较低。若加入木糖异构酶和四硼酸钠,使用

&配c^orom伽s ce删诂ne可以同时将葡萄糖和木糖发
酵转化成乙醇,乙醇得率可达理论值的90%¨8J。目 前对半纤维素的研究,主要集中于利用基因生物学 方法开发能发酵戊糖的菌种,比如Esc^e矗c^施co矗或

Femen.

tation,SHF):纤维素酶生产、纤维素水解、己糖发酵、 戊糖发酵分开进行;②同时糖化戊糖单独发酵法 (Simultaneous Sacchamcation
pentose

者Ⅺe6s蒯k似伽co。Nichols等【19j报道了一种带有转
磷酸酶(PtsG)突变E.co如菌株的异种,能同时发酵己 糖和戊糖,乙醇得率可达理论值的87%~94%。 3.3解毒(反抑制)问题 纤维素水解产物对乙醇的抑制作用表现在:抑 制菌体生长;降低微生物对营养物质的利用率;抑制

and

Fe硼entation,sepaKne

fenllentation,sSF):纤维素水解与己糖发酵同

时完成,分离出的戊糖单独发酵;③同时糖化共发酵 法(Simultaneous
Saccharification and

Co—Fe姗entation,

sSCF):纤维素水解与发酵过程同时进行;④固定化

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乙醇的生成,降低乙醇的产率。其抑制物主要有醛 类、有机酸、呋喃、木素的降解产物、盐类等。木质纤 维素水解产物的解毒(detox西)方法除了增大接种量、

程碑的意义;另外,尽管工业上一般使用的酵母和

z.啪捌蠡在30℃时所得乙醇体积分数可达10%,
但微生物的耐热温度较低,因此耐热菌的开发也显 得尤为重要,现一般采用酶解温度与发酵温度的折 中温度。

调节发酵液pH值等一般方法外,还有如ca(OH)2、
Na0H或活性炭吸附、离子交换、有机溶剂抽提、电 解、分子筛过滤等方法[20。2 2】。 乙醛是一种低成本的有机物,加入少量的乙醛

总之,我国的植物纤维资源非常丰富,每年至少
有5亿t农作物秸秆、400万t甘蔗渣、100万t森林 采伐加工剩余物,加上来自造纸、食品发酵和轻化工 业的数百万吨工业纤维废渣,数量相当巨大。因此 若能充分利用这些木质纤维资源,开发新型利用途 径,将是我国能源可持续发展的必由之路。 参考文献
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可以减少乙醇对鼬cc^nrD,n"∞ce聊括ioe酵母和勿. 啪啪胍s瑚d姚酵母的生长控3|,而且还能减轻木质
纤维素水解产物呋喃、木素芳香产物和醋酸等对酵 母的抑制作用,缩短滞后时间,降低菌体死亡速率, 提高乙醇产量。尤其在因培养基的循环造成抑制物 浓度较高时,这是一种有潜力的低成本解毒产 品[24]。 Klinke等[25-27]在较高的氧压(1.2 MPa)条件 下,于195℃加入Na’CO,预处理麦草,用鼬cc施.
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生产乙醇,研究了该过程的潜在抑制物。结果表明: 预处理麦草原料时,在木素的降解产物中,酚酮和酚 醛比酚酸的抑制作用更强,甲氧基取代数量越少,苯 酚的抑制作用减弱。但水解产物中,羧酸是主要的 抑制物,它比苯酚的抑制作用更强。另外,当应用

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用由大到小排序的抑制物为:酚醛>酚酮>酚酸> 2一糠醛酸。并且当水解产物浓度提高3~6倍时,由 于水解产物以及木素降解产物的协同作用,菌体生 长速率和乙醇得率严重下降。 zaldivar等【28j以凰c^e廊^如co屁为发酵菌种,研 究来自半纤维素水解产物以及木素降解产物(如儿 茶酚、邻甲氧基苯酚、对苯二酚、愈创木酚、香草醇 等)的抑制作用,发现这些化合物的毒性与其疏水性 有直接联系,愈创木酚的毒性最强,而这些化合物与 糠醇和糠醛的毒性不仅具有简单的叠加性,而且存 在某种协同作用。 3.4发酵微生物的发展 近年来,国内外许多研究者致力于构建可以高

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(下转第24页)

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烯和丁烯可来自蒸汽裂解装置和各种炼厂的生产过 程,浓度也可不相同,丁烯也可来自乙烯二聚装置。 图l为OCT工艺流程图。

下,2一丁烯和乙烯歧化生成丙烯【2—3|。图2为 Meta一4工艺流程图。

聚合级丙烯 合级丙烯 C.及C.以上
物流

图2 图1 OCT工艺

IFP的Meta一4工艺

该工艺包括反应区和再生区。反应器可以使用 固定床反应器也可以采用移动床反应器。催化剂全 部或部分失活后,除去附着在表面上的有机物,送入 再生器再生,可循环操作。该工艺对丙烯的选择性 大于98%,2一丁烯转化率90%,产物中乙烯的质量 分数可达31.2%,丙烯的质量分数可达22.4%,C3 与c,质量比可达0.72。 从1988年4月到1990年9月,该工艺在高雄的 台湾省中油公司的一套示范装置上共运行8 其中5
700 600 h,

1985年,由于丙烯短缺,美国Lyondell化学公司 (现与ARcO公司合并)在得克萨斯州建成了1套
136

kt/a由乙烯和2一丁烯歧化为丙烯的装置,1992

年扩能为408 kt/a,2004年在LyondeU公司的乙烯装 置以及德国BAsF/比利时Fina公司合资的蒸汽裂解 装置上都使用了0cT技术增产丙烯。其中BAsF公 司和Fina公司合建的920 kt/a乙烯和550 kt/a烯烃 装置采用0CT工艺以后,乙烯产能调整为830 丙烯产能则提升为860
kt/a¨j。 kt/a,

h的寿命实验,催化剂再生76次,催化剂

OCT工艺采用固定床反应器,催化剂是载于硅 藻土上的w03和MgO幢J。催化剂可连续再生,原料 中的l一丁烯在Mg作用下异构化为2一丁烯,然后由 WO,歧化生成丙烯。


的物化性能均无明显变化H』。法国石油研究院近期 公开了许多歧化方面的专利b“],专利内容表明 IFP仍在对歧化工艺流程以及催化剂进行改进,如 将异丁烯抽提工艺改为精馏塔分离工艺,添加稀土 元素对催化剂进行改性等。

IFP的Meta一4工艺


BAsF公司工艺
BASF公司工艺与其他工艺的区别是几乎不需

与OCT工艺相比,IFP的Meta一4工艺采用了低 温铼系催化剂,使反应能在较低温度下进行。该工 艺将主要含丁二烯、1一丁烯、异丁烯和炔属杂质的 Q烯烃转变为聚异丁烯和丙烯。其过程包括3个 步骤:①丁二烯、炔属杂质的选择加氢,催化剂含有 镍、钯或铂,20~200℃、1~5 MPa、空速0.5—10
h-。,

要外加乙烯。它提供了从裂解或精制C4物流制备 烯烃,尤其是作为联产丙烯的方法。C4物流的精制 包括使用选择性溶剂萃取丁二烯、丁二烯和炔属杂 质选择加氢;将1一丁烯异构化为2一丁烯,除去异丁 烯;分离出含氧杂质等。歧化方法是将G4中的2一 丁烯转化为丙烯和2一戊烯,然后2一戊烯和乙烯生成 1一丁烯和丙烯两个步骤。两步歧化反应中催化剂均 为Re207/A1203,温度为20~90℃。图3为BAsF公

同时将1一丁烯异构化为2一丁烯;②抽提或与甲醇反 应除去异丁烯,在酸性催化剂存在及一定温度和压 力下,剩余的异丁烯聚合为聚异丁烯;③在氧化铼催 化剂存在及0—100℃、压力高于反应蒸汽压条件

(上接第22页)
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万   方数据

木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 刘娜, 石淑兰, LIU Na, SHI Shu-lan 天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津,300222 现代化工 MODERN CHEMICAL INDUSTRY 2005,25(3) 25次

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相似文献(10条) 1.期刊论文 钱名宇.张晶.刘继开.杨秀山.Qian Mingyu.Zhang Jing.Liu Jikai.Yang Xiushan 木质纤维素稀酸水 解液乙醇发酵的新方法 -太阳能学报2006,27(6)
为了降低木质纤维素水解液发酵抑制剂对乙醇发酵的负影响,采用混合菌种对木质纤维素稀酸水解液乙醇发酵方式进行了研究.对批式发酵、补料批 式发酵和间隔补料批式发酵3种发酵方式进行了比较.实验结果表明,间隔补料批式发酵可以有效地减弱水解液中抑制因子对菌种的影响,乙醇产量明显高 于其他两种发酵方式,利用酿酒酵母(Saccaromyces cerevisiae 2.535)和嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilis ATCC 32728)混合发酵,乙醇产量最终 达到14.4g/L,乙醇产率(Yp/s)为0.47g/g,相当于最大理论产率的92.2%.利用酿酒酵母和重组大肠杆菌混合菌种发酵,乙醇产量达到了14.5g/L.对木质纤维 素稀酸水解液采用间隔补料批式乙醇发酵方法,可进一步减少抑制剂对乙醇发酵的影响,使发酵顺利进行.

2.学位论文 荆新云 木质纤维素降解酶的酶学特性表征及在产乙醇菌中的克隆表达 2009
本论文以木质纤维素降解为可发酵单糖的过程为背景,对木质纤维素降解酶的酶学特性表征及在产乙醇基因菌内的表达进行了研究。首先对木质纤 维素预处理过程中所产生的三类降解产物进行了定性和定量分析,确定了七种降解产物作为代表性的酶水解与发酵抑制剂,包括三种有机酸产物甲酸、 乙酸、乙酰丙酸;两种呋喃类产物糠醛、羟甲基糠醛;两种苯酚类产物香兰素、对羟基苯甲醛。对上述七种抑制物对工业纤维素酶 SpezymeCP(GenencorInternational)的抑制作用在静态和充分混合的条件下进行了详细的表征。在对纤维素酶组分进行合理简化的前提下,对纤维素酶 SpezymeCP在上述抑制物存在的条件下的酶反应动力学进行了实验测定,获得了SpezymeCP的各种表观酶动力学参数,包括表观米氏常数、最大反应速率 和各类抑制物的表观抑制因子。同时测定乙醇作为抑制因子的表观动力学常数,并与木质纤维素降解产物的抑制效应进行了对比。基于上述表征结果 ,对上述七种木质纤维素抑制产物和乙醇对工业纤维素酶的抑制进行了详细分析。这一结果对定量理解木质纤维素预处理降解产物对纤维酶的抑制具有 重要的意义。在此工作的基础之上,选择纤维素酶组分中最适于进行基因工程调控的纤维二糖酶在产乙醇基因菌ZymomonasmobilisZM4进行了表达,以使 Z.mobilisZM4具备酶水解和乙醇发酵的双重功能。首先对不同物种来源的纤维二糖酶(β—葡萄糖苷酶)进行了筛选,挑选出了一个从 BacilluspolymyxaAS1.794获得的高特异性水解纤维二糖的酶基因。将该基因克隆到本实验室构建的高效接合转化穿梭质粒pLOI193中,结合转化到 Z.mobilisZM4中进行了过量表达,获得了高酶活的外源纤维二糖酶蛋白,为今后纤维素酶基因在产乙醇基因菌中的表达进行了有益探索。

3.会议论文 周桂雄.田沈.杨秀山 两株代谢木质纤维素稀酸水解水解液毒性酵母菌的鉴定及乙醇发酵特性 2007
本文对筛选出的高效酒精发酵耐毒酵母YZ1和YZ4进行了鉴定。根据形态学及26S rDNAD1/D2区域(约600bp)基因序列的比对结果,YZ1为假丝酵母属 (Candida),YZ4为伊萨酵母属(Issatchenkia)。以未经过任何脱毒处理的木质纤维素稀酸水解液为发酵底物进行发酵,对这2株菌的乙醇发酵特性进行研究 ,结果表明,在水解液中,YZ1与YZ4均能在24h内将所有的葡萄糖消耗完,并且,YZ1乙醇产量达到17.72g/L,YZ4的乙醇产量为14.24g/L。说明这两株菌具有高 效代谢葡萄糖产乙醇,并同时具有降解发酵抑制剂的能力。为木质纤维工业化生产然料乙醇奠定了基础。

4.学位论文 吕学斌 木质纤维素转化为生物乙醇过程中关键问题的研究 2008
木质纤维素转化为乙醇是生物质能源转化过程中研究的热点。本文对秸秆转化为生物乙醇过程中的预处理、酶水解和发酵以及乙醇的分离等关键问 题进行了研究。<br>   通过对低温条件下玉米秸秆中半纤维素水解动力学的研究,得到了半纤维素的最佳水解条件。应用Seaman模型对实验数据进行分析,得到80-121℃下木 糖的生成和降解速率,以及葡萄糖和糠醛的生成速率。通过对所得响应曲面进行分析得出各温度下的最佳水解条件分别为:在80℃下,硫酸浓度5%,反 应时间240 min,最终木糖浓度为13.21 g/L在100℃下,硫酸浓度5.5%,反应时间60 min,最终木糖浓度为18.73 g/L在121℃下,硫酸浓度2%,反应时 间60 min,最终木糖浓度为17.95 g/L。并应用阿累尼乌斯方程计算得到该温度范围内秸秆预处理过程的活化能为56.3kJ/mol。<br>   采用稀酸预处理方法对油菜秸秆进行预处理,通过中心组合实验设计方法设计实验,对影响油菜秸秆预处理过程的硫酸浓度,预处理时间以及固体浓度 等因素进行优化。结果发现,在180℃预处理条件下,硫酸浓度为1%,预处理时间为10 min,固体浓度为20%时,木糖产率为68.4%,木糖浓度达到 27.3 g/L,较固体浓度为10%增大了一倍。而在121℃预处理条件下,固体浓度对预处理结果影响较大,当硫酸浓度为2%,预处理时间为60 min,固体 浓度为10%时,木糖产率为73.6%,而此条件下木糖浓度只有14.7 g/L。扫描电镜结果进一步证明纤维素的结构在高温条件下更容易破坏。<br>   考察了固体浓度对油菜秸秆酶水解和发酵过程的影响。结果发现适当地增大固体浓度,对酶水解和发酵过程影响不显著,而葡萄糖和乙醇的最终浓度却 显著增大。180℃预处理后的秸秆可以在25%的固体浓度下进行酶水解和发酵过程,最终的乙醇浓度可以达到4.6%,与10%固体浓度比较,乙醇浓度提 高了2.05倍;而在低温预处理后的秸秆可以在20%的固体浓度下进行酶水解和发酵过程,最终的乙醇浓度达到了3.5%,与10%固体浓度所得的结果比较 ,乙醇浓度提高了1.76倍。<br>   选用膜蒸馏装置同时发酵和分离乙醇,考察了不同发酵方式对乙醇的生产速率、最终浓度以及乙醇产率。结果表明,与常规发酵过程比较,选用膜蒸馏 装置同时发酵和分离乙醇,可以消除发酵过程中产生的乙醇对后续发酵过程的抑制,这样不仅可以提高乙醇的生产效率,同时乙醇生成速率也显著增大 ,最终乙醇的浓度也有了一定程度的提高。

5.期刊论文 田沈.周桂雄.张兰波.杨秀山.Tian Shen.Zhou Guixiong.Zhang Lanbo.Yang Xiushan 两株高效代谢木 质纤维素稀酸水解物产乙醇的酵母特性及耐毒研究 -太阳能学报2010,31(1)
对实验室筛选出的两株高效代谢木质纤维素稀酸水解液产乙醇的酵母菌Y1(Candida tropicalis)和Y4(Issatchentda orientalis)的乙醇发酵特性及 耐毒能力进行了的研究.以未经任何脱毒处理的木质纤维素稀酸水解液为发酵底物进行乙醇发酵(原位脱毒乙醇发酵).结果表明,Y1和Y4均能在24h内将水 解液中所有的葡萄糖消耗完,乙醇产率分别为0.49g/g和0.45g/g,分别达到了理论值的96.1%和86.0%.在含有不同浓度梯度的糠醛及5-羟甲基糠醛的模拟水 解液中,Y1和Y4能耐受的最高糠醛浓度均为5.0g/L,最高的5-羟甲基糠醛浓度均大于7.0g/L,当两种抑制剂等量混合时,两株菌能耐受的最高浓度为 4.0g/L.两株菌均有较好的乙醇发酵及耐毒能力.该研究结果为木质纤维素水解液的原位脱毒发酵生产然料乙醇奠定了基础.

6.期刊论文 田沈.周桂雄.张兰波.杨秀山.Tian Shen.Zhou Guixiong.Zhang Lanbo.Yang Xiushan 两株高效代谢木 质纤维素稀酸水解物产乙醇的酵母特性及耐毒研究 -太阳能学报2011,32(2)
对实验室筛选出的两株高效代谢木质纤维素稀酸水解液产乙醇的酵母菌Y1(Candida tropicalis)和Y4(Issatchenkia orientalis)的乙醇发酵特性及 耐毒能力进行研究.以未经任何脱毒处理的木质纤维素稀酸水解液为发酵底物进行乙醇发酵(原位脱毒乙醇发酵).结果表明:Y1和Y4均能在24h内将水解液 中所有的葡萄糖消耗完,乙醇产率分别为0.49g/g和0.45g/g,分别达到理论值的96.1%和86.0%.在含有不同浓度梯度的糠醛及5-羟甲基糠醛的模拟水解液中 ,Y1和Y4能耐受的最高糠醛浓度均为5.0g/L及最高的5-羟甲基糠醛浓度均大于7.0g/L,当两种抑制剂等量混合时,两株菌能耐受的最高浓度为4.0/L,两株菌 均有较好的乙醇发酵及耐毒能力.该研究结果为木质纤维素水解液的原位脱毒发酵生产然料乙醇奠定了基础.

7.期刊论文 路鹏.江滔.李国学.Lu Peng.Jiang Tao.Li Guoxue 木质纤维素乙醇发酵研究中的关键点及解决方案 农业工程学报2006,22(9)
该文综述了近年来木质纤维素材料发酵生产乙醇的研究进展,提出了在木质纤维素原料发酵生产乙醇过程中的两大关键点,一是减少和消除原料预处 理过程中抑制物及其有害影响;二是含木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖等多种物质的混合物同时作为底物的乙醇发酵.在对已有研究结果比较和分析基础 上,提出相应的解决方案.首先要采取综合的预处理过程,达到提高木质纤维素水解率的同时减少发酵抑制物;然后是提高发酵菌种对混合糖底物的利用能 力和发酵生成乙醇的能力以及对抑制物的耐受性,以提高木质纤维素发酵生产乙醇的转化率.

8.学位论文 焦岩 木质纤维素超低温微化-固定化酶降解制备乙醇工艺研究 2007
木质纤维素是一种新的可利用能源。全世界有着大量的木质纤维素类资源,这其中包括占很大一部分的林业加工废弃物,例如木屑,木渣,树皮等 是一大类没有被有效利用的可再生植物资源,用林业废弃物转化为燃料乙醇、沼气等是一种解决能源问题的新的有效途径。本文对白桦木质纤维素预处 理、白桦木纤维素固定化酶降解及乙醇的发酵工艺进行了研究。

考察了不同预处理方法对白桦木纤维素酶水解的影响,这几种方法包括:酸处理、碱处理、微体化预处理和超低温微体化预处理等方法。其中,超 低温微体化预处理桦木纤维素的方法至今未见报道。通过对几种方法的比较发现:酸预处理方法的酶解率最低,为6.58%。超低温微体化预处理的桦木 纤维素酶解率最高,为31.78%。 用交联法对纤维素酶进行固定化,研究了维素酶的固定化工艺,得到了载体与交联剂浓度、给酶量、固定化时间的最适固定化条件:戊二醛浓度 7.0%,酶用量80 mg/g载体,交连时间8小时,固定化纤维素酶活力可达1.18 u/g。同时对固定化酶及游离酶的米氏常数、最适pH,离子强度对酶活力的 影响以及最适反应温度和热稳定性等理化性质进行了探讨和比较。固定化纤维素酶重复利用10次,酶活力为原来的50%以上。 研究了固定化纤维素酶降解白桦木纤维素的酶解工艺。并对酶解工艺进行了优化,结果得到固定化纤维素酶最佳酶解条件为:温度45℃,pH值 5.0,酶用量0.15g/g底物,还原糖产量为0.685mg/mL。 对木质纤维素酶解后的糖化液的发酵结果表明,最佳发酵工艺条件为:温度35℃,pH值5.5,接种量为15%,糖液浓度4%,摇床转数150rpm,乙醇 产率可达33.5%。说明了用超低温微体化与固定化酶连用解降解白桦木纤维素原料生产乙醇的方法是可行的。

9.期刊论文 李丰田.田沈.于泳.周桂雄.杨秀山.Li Fengtian.Tian Shen.Yu Yong.Zhou Guixiong.Yang Xiushan 酵母菌复合培养物对木质纤维素稀酸水解液原位脱毒乙醇发酵 -太阳能学报2009,30(11)
为了解决木质纤维素稀酸水解产物中发酵抑制剂对微生物的抑制作用以及木糖的乙醇发酵问题,该研究用本实验室开发的能高效代谢葡萄糖产乙醇并 代谢糠醛和5-羟甲基糠醛的2株酵母菌种Saccharomyces cerevisiae Y5和Ismtchenkia/orientalis Y4分别与Pichia.stipitis CBS6054组成2个复合菌种 ,用复合菌种对木质纤维素稀酸水解产物进行原位脱毒乙醇发酵.结果证明,复合菌种S.cerevisiae Y5,P.stipitis CBS6054显示出了很好的代谢稀酸水解 液中的葡萄糖和木糖产乙醇并快速代谢糠醛和5-羟甲基糠醛的能力,乙醇产率为0.43g/g(达到理论值的85.1%).该复合培养物可作为木质纤维索稀酸水解 产物不需任何脱毒处理直接进行乙醇发酵的复合菌种.

10.学位论文 刘爱平 利用Pichia stipitis发酵木质纤维素水解液生产乙醇 2004
由于Pichia stipitis能够较好的发酵木糖,是具有工业应用前景的微生物之一,该课题就Pichia stipitis利用木质纤维素水解液发酵生产乙醇进行 了研究.结果表明,在木糖为碳源的培养基中,Pichia stipitis发酵的最适温度为32℃、最适初始pH值为5.0;在混合糖(葡萄糖/木糖)培养基上,Pichia stipitis首先利用葡萄糖再利用木糖,葡萄糖对木糖的利用有抑制作用.0.5%(v/v)的乙酸或糠醛的存在,对Pichia stipitis的生长产生严重抑制.Pichia stipitis在木屑水解液里完全不能生长.论文在改良菌利和采用工程手段改善微环境的指导思想下,分别从驯化菌种和包埋细胞两方面着手,提高菌种在木 屑水解液中的发酵水平.经木屑水解液中多次驯化的Pichia stipitis菌种(命名为Ps.5),在100%木屑水解液中发酵,乙醇得率(Y<,p/s>)达到0.28g/g,总 糖利用率(Y<,s>)为75.72%.驯化菌种Ps.5在50%(v/v)的木屑水解液里发酵,比原始菌种的乙醇产量(p<,max>)、乙醇得率(Y<,p/s>)、乙醇平均速率 (Q<pav>)和总糖转化率(Y<,p>)方面分别提高了29.32%、34.67%、51.14%和34.67%;对菌体的元素分布的研究表明,随着驯化次数的增加,碳氮比增加 ,碳和氮在细胞体中的百分含量都有下降趋势,说明微生物在驯化过程中不断增加壁厚,底物通过壁的传质速率下降,致使菌种在合成培养基中的生长速率 有所下降.用双组分作为固定化细胞载体包埋Pichia stipitis,当聚乙烯醇和海藻酸钠的浓度分别为40和30g/l时,原始菌种固定化细胞可达到与驯化菌种 相同的发酵水平,各项指标比游离细胞普遍有所提高.说明驯化菌种和固定化细胞都是提高菌种在木质纤维素水解液中发酵效果的有效途径.

引证文献(25条) 1.王罗琳.丁长河.杨盛茹 纤维素质原料生产乙醇的研究现状[期刊论文]-农产品加工·学刊 2010(4) 2.孙付保.毛忠贵.张建华.唐蕾.张宏建 植物/微生物源活性蛋白协同纤维素酶水解木质纤维素的研究进展[期刊论 文]-现代化工 2010(11) 3.邓远德 能源性微生物的研究进展[期刊论文]-农技服务 2010(9) 4.王歌.王丽.王一帆.王林嵩 玉米秸秆预处理优化实验条件研究[期刊论文]-河南师范大学学报(自然科学版) 2010(5) 5.刘士清.李永丽.孙传伯 马铃薯原料全价性利用发酵生产燃料乙醇的探讨[期刊论文]-农机化研究 2009(8) 6.赖智乐.常春.马晓建 同步糖化发酵在纤维乙醇生产中的研究进展[期刊论文]-酿酒科技 2009(7) 7.孙传伯.李永丽.李云.廖梓良.刘士清 云南省马铃薯产燃料乙醇的可行性研究[期刊论文]-安徽农业科学 2009(1) 8.蒋学剑.缪冶炼.陈介余.徐子栋.何珣.欧阳平凯 碱液湿磨预处理稻草的酶解性能[期刊论文]-生物产业技术 2009(z1) 9.徐晴.马小琛.付永前.李霜.黄和 根霉菌利用木质纤维素发酵生产有机酸的研究进展[期刊论文]-中国生物工程杂 志 2009(9) 10.胡良豪.甄文娟.单志华 纤维素乙醇的发展前景[期刊论文]-现代化工 2008(z2) 11.朱屋彪.蔡燕飞.邓强.张煙.赵肃清 降解香蕉秆制备酒精的工艺研究[期刊论文]-现代化工 2008(z2) 12.马现刚.徐恒泳.李文钊 木质纤维素生产燃料乙醇的研究进展[期刊论文]-天然气化工 2008(4) 13.江滔.路鹏.李国学 玉米秸秆稀酸水解糖化法影响因子的研究[期刊论文]-农业工程学报 2008(7) 14.刘超超.孙然.李海亮 燃料乙醇生产原料技术分析[期刊论文]-科技信息(科学·教研) 2008(14) 15.方雪 利用丙酮丁醇梭菌进行木质纤维素同步糖化发酵的研究进展[期刊论文]-合肥师范学院学报 2008(3) 16.邹水洋.郭祀远.肖凯军 生物转化木质纤维素原料生产乳酸的研究进展[期刊论文]-现代食品科技 2008(4) 17.文震林.李岚.蒋智梅 生物技术在木质纤维素转化乙醇中的应用[期刊论文]-江西能源 2007(3)

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